環(huán)形密封和多級(jí)轉(zhuǎn)子系統(tǒng)耦合動(dòng)力學(xué)數(shù)值及實(shí)驗(yàn)研究.pdf

1、在多級(jí)離心泵中，由于實(shí)現(xiàn)平衡壓力及密封的需要，大量存在如密封口環(huán)、級(jí)間密封及平衡鼓等環(huán)形密封隙流道。上述密封流道一方面會(huì)造成泄漏，從而降低離心泵效率，另一方面會(huì)對(duì)離心泵的振動(dòng)性能造成影響。七十年代，美國(guó)航天飛機(jī)的高壓油泵轉(zhuǎn)子曾出現(xiàn)過(guò)較大的轉(zhuǎn)子渦動(dòng)，導(dǎo)致轉(zhuǎn)速達(dá)不到設(shè)計(jì)值，在將周向開(kāi)槽的密封改為光滑環(huán)密封后，振動(dòng)消失且轉(zhuǎn)子達(dá)到了設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速。由此可以看出，無(wú)論從提高效率還是安全生產(chǎn)的角度，都很難忽視小間隙流對(duì)離心泵性能的影響，并且很有必要把轉(zhuǎn)子

2、和環(huán)形密封動(dòng)力學(xué)分析結(jié)合起來(lái)作為轉(zhuǎn)子設(shè)計(jì)過(guò)程中的關(guān)鍵內(nèi)容。
　　本文以考慮環(huán)形密封的多級(jí)轉(zhuǎn)子系統(tǒng)為研究對(duì)象，分別針對(duì)環(huán)形密封、多級(jí)轉(zhuǎn)子的動(dòng)力學(xué)特性進(jìn)行研究，設(shè)法在穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)過(guò)程中考慮環(huán)形密封對(duì)轉(zhuǎn)子性能的影響，并針對(duì)研究對(duì)象展開(kāi)一系列試驗(yàn)研究以驗(yàn)證數(shù)值方法的可靠性。論文的主要內(nèi)容包括以下五個(gè)方面:
　　1、介紹了環(huán)形密封動(dòng)力學(xué)模型的建立過(guò)程，分析了若干關(guān)鍵密封參數(shù)，包括壁面摩擦因子、入口預(yù)旋及入口損失系數(shù)等對(duì)環(huán)形密封動(dòng)力學(xué)特性

3、的影響;基于CFD方法建立了環(huán)形密封流道模型并進(jìn)行了網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)證，計(jì)算了不同內(nèi)壁轉(zhuǎn)速、進(jìn)口速度及軸向截面積下環(huán)形間隙入口損失系數(shù)的變化;基于本文實(shí)驗(yàn)測(cè)試所用密封參數(shù)建立了環(huán)形密封數(shù)學(xué)模型，計(jì)算了密封動(dòng)力特性系數(shù)及密封參數(shù)對(duì)其的影響。
　　2、設(shè)計(jì)并搭建了國(guó)內(nèi)首臺(tái)環(huán)形密封流體力測(cè)試裝置，可用于測(cè)試主軸任意偏心及渦動(dòng)比狀態(tài)下環(huán)形密封流道產(chǎn)生的徑向流體力，研究各種密封形式及參數(shù)對(duì)流體作用力的影響等;介紹了該測(cè)試裝置的設(shè)計(jì)思路及運(yùn)行機(jī)理

4、，著重介紹了其渦動(dòng)調(diào)節(jié)原理;計(jì)算出測(cè)試裝置所用環(huán)形密封的理論流體力，與實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行比較，驗(yàn)證了環(huán)形密封動(dòng)力學(xué)模型的可靠性。
　　3、為實(shí)現(xiàn)利用密封參數(shù)直接預(yù)測(cè)轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的振動(dòng)性能，首先對(duì)轉(zhuǎn)子系統(tǒng)進(jìn)行建模，并以矩陣形式將密封動(dòng)特性系數(shù)耦合到轉(zhuǎn)子系統(tǒng)矩陣中，得到考慮密封支撐作用的轉(zhuǎn)子系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)方程;通過(guò)求解上述方程得到考慮密封支撐的轉(zhuǎn)子系統(tǒng)臨界轉(zhuǎn)速及不平衡響應(yīng);基于考慮環(huán)形密封的多級(jí)轉(zhuǎn)子動(dòng)態(tài)響應(yīng)實(shí)驗(yàn)臺(tái)，測(cè)得不同密封壓差下多級(jí)轉(zhuǎn)子的臨界

5、轉(zhuǎn)速，與計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比。
　　4、為研究環(huán)形密封對(duì)轉(zhuǎn)子瞬態(tài)響應(yīng)的影響，建立單轉(zhuǎn)子模型并對(duì)其可靠性進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證;基于湍流潤(rùn)滑理論建立環(huán)形間隙流動(dòng)模型并給出三種湍流假設(shè)對(duì)應(yīng)的數(shù)值結(jié)果，對(duì)環(huán)形間隙流道計(jì)算模型進(jìn)行改進(jìn);通過(guò)對(duì)轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)方程及湍流潤(rùn)滑方程分別求解，并在每個(gè)時(shí)間步內(nèi)判斷環(huán)形間隙的流動(dòng)狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)環(huán)形間隙流場(chǎng)與轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的耦合，得到考慮流體力影響的轉(zhuǎn)子瞬態(tài)響應(yīng)結(jié)果。
　　5、由于多級(jí)離心泵中密封支撐位置多且部分密封長(zhǎng)徑比較

6、大，使得在傳統(tǒng)轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)分析中被認(rèn)為對(duì)轉(zhuǎn)子性能影響不明顯的阻尼系數(shù)在轉(zhuǎn)子系統(tǒng)中所占比重增加;以單轉(zhuǎn)子及多轉(zhuǎn)子系統(tǒng)為例，分析了密封阻尼變化時(shí)轉(zhuǎn)子各階固有頻率及響應(yīng)幅值的變化規(guī)律;針對(duì)長(zhǎng)徑比這一對(duì)密封阻尼有顯著影響的密封參數(shù)，研究了其對(duì)轉(zhuǎn)子系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響。
　　研究結(jié)果顯示，密封流道長(zhǎng)徑比增加時(shí)各動(dòng)特性系數(shù)均會(huì)增加，其中交叉剛度及主阻尼系數(shù)增幅最為明顯，而密封間隙的增加會(huì)明顯降低剛度及阻尼系數(shù)大小，入口預(yù)旋增加則會(huì)引起交叉剛度和交叉

7、阻尼系數(shù)的增加及主剛度系數(shù)的降低;密封流體力的理論計(jì)算結(jié)果與測(cè)試結(jié)果相比偏小，即理論結(jié)果會(huì)低估密封對(duì)轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的支撐作用;采用本文方法計(jì)算得到的濕轉(zhuǎn)子臨界轉(zhuǎn)速與實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合較好，當(dāng)密封間隙在0.3-0.5mm范圍內(nèi)時(shí)，誤差不超過(guò)5％;當(dāng)考慮密封支撐時(shí)，轉(zhuǎn)子系統(tǒng)臨界轉(zhuǎn)速變化較小但其對(duì)應(yīng)響應(yīng)幅值大幅減小;瞬態(tài)過(guò)程中，啟動(dòng)加速度的變化對(duì)轉(zhuǎn)子響應(yīng)幅值及響應(yīng)峰值出現(xiàn)的時(shí)間有明顯影響;密封阻尼的增加會(huì)引起轉(zhuǎn)子臨界轉(zhuǎn)速及響應(yīng)幅值的下降，密封流道長(zhǎng)徑比增